Operon lac – inducibilní systém

První řídicí systém pro produkci enzymů vypracovaný na molekulární úrovni popisoval řízení enzymů, které jsou produkovány v reakci na přítomnost cukru laktózy v buňce E. coli. Tuto práci provedli Jacob a Monod, za kterou jim byla udělena Nobelova cena. Následujedráha, která vede k produkci glukózy a galaktózy.

Lactose -----------------------------------> Glucose + Galactose
ß-galactosidase

Několik proteinů zapojených do metabolismu laktózy v buňce E. coli.Jsou to:

  • ß-galaktozidáza – přeměňuje laktózu na glukózu a galaktózu
  • ß-galaktozid permeáza – transportuje laktózu do buňky
  • ß-galaktozid transacetyláza – funkce neznámá

Výzkum tohoto systému byl výrazně doplněn dostupností konstitutivních mutantů. Konstitutivní mutant je takový mutant, u kterého je genový produkt produkován neustále, to znamená, že neexistuje žádná kontrola jeho exprese. u těchto mutantů byly výše uvedené proteiny produkovány neustále ve srovnání s divokým typem, kde se proteiny objevovaly pouze v přítomnosti laktózy. u těchto mutantů se tedy musí jednat o mutaci jiného genu než těch, které jsou zodpovědné za strukturní geny.

Všechny geny podílející se na řízení této dráhy se nacházejí vedle sebe na chromozomu E. coli. Společně tvoří operon. níže je uvedena genetická struktura operonu.

Řídicí obvod pro lac operon

 I P O || Z | Y | A |_________________________________________________________
Controlling || Structural genes
Region
lac operon gen Funkce genu

I

Gen pro represorový protein.

P

Promotor

O

Operátor

lac Z

Gen pro ß-galaktosidázu

lac Y

Gen pro ß-galaktosid permeázu

lac A

Gen pro ß-galaktosid transacetylázu

Operon – shluk strukturních genů, které jsou exprimovány jako skupinaa s nimi spojený promotor a operátor

Jak systém funguje? Bez laktózy v buňce se represorový proteinváže na operátor a brání čtení RNA polymerázy do tří strukturních genů. S laktózou v buňce se laktóza váže na represor. To způsobí strukturální změnu represoru a ten ztratí afinitu k operátoru. RNA polymeráza se tak může navázat na promotor a přepsat strukturní geny. V tomto systému působí laktóza jako efektorová molekula.

Efektorová molekula – molekula, která interaguje s represorem aovlivňuje afinitu represoru k operátoru

S výše uvedenými informacemi můžeme nyní předpovědět, jaký vliv budou mít různé mutanty na expresi genů lac operonu.

Mutantní gen lac Fenotyp mutanta

I-

konstitutivní exprese, protože operátor není nikdy uzavřen

O-

konstitutivní exprese, protože represorový protein se nemůže vázat

P-

žádná exprese operonu, protože RNA polymeráza se nemůže vázat

lac Z-

žádná produkce glukózy nebo galaktózy z laktózy

lac Y-

žádná indukce, protože laktóza nebude přijata do buňky

Katabolitní represe lac operonu

Laktóza není preferovaným zdrojem sacharidů pro E. coli. Pokud jsou přítomny laktosa a glukosa, buňka spotřebuje veškerou glukosu dříve, než se zapne lac operon. Tento typ řízení se označuje jako katabolitová represe. Aby se zabránilo metabolismu laktózy, existuje druhá úroveň kontroly genové exprese. Promotor lac operonu má dvě vazebná místa. Jedno místo je místem, kde se váže RNA polymeráza, druhé místo je vazebným místem pro komplex mezi kataboliteaktivátorovým proteinem (CAP) a cyklickým AMP (cAMP). Vazba komplexu CAP-cAMP na promotorové místo je nutná pro transkripci lac operonu. Přítomnost tohoto komplexu úzce souvisí s přítomností glukózy v buňce. Se zvyšující se koncentrací glukózy množství cAMP klesá. S klesající koncentrací cAMP klesá i množství komplexu. Tento pokles komplexu inaktivuje promotor a lac operon se vypne. Protože komplex CAP-cAMP je nezbytný pro transkripci, vykonává komplex pozitivní kontrolu nad expresí lac operonu.